Введение
Прибор для измерения интенсивности света
A photometer is an instrument that measures the strength of electromagnetic radiation in the range from ultraviolet to infrared and including the visible spectrum. Most photometers convert light into an electric current using a photoresistor, photodiode, or photomultiplier. Photometers measure:
Illuminance
Irradiance
Light absorption
Scattering of light
Reflection of light
Fluorescence
Phosphorescence
Luminescence
Historically, photometry was done by estimation, comparing the luminous flux of a source with a standard source. By the 19th century, common photometers included Rumford's photometer, which compared the depths of shadows cast by different light sources, and Ritchie's photometer, which relied on equal illumination of surfaces. Another type was based on the extinction of shadows. Modern photometers utilize photoresistors, photodiodes or photomultipliers to detect light. Some models employ photon counting, measuring light by counting individual photons. They are especially useful in areas where the irradiance is low. Photometers have wide ranging applications including photography, where they determine the correct exposure, and science, where they are used in absorption spectroscopy to calculate the concentration of substances in a solution, infrared spectroscopy to study the structure of substances, and atomic absorption spectroscopy to determine the concentration of metals in a solution.
Фотометр – это прибор, измеряющий силу электромагнитного излучения в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, включая видимый спектр. Большинство фотометров преобразуют свет в электрический ток, используя фоторезистор, фотодиод или фотоумножитель. Фотометры измеряют:
A photometer is an instrument that measures the strength of electromagnetic radiation in the range from ultraviolet to infrared and including the visible spectrum. Most photometers convert light into an electric current using a photoresistor, photodiode, or photomultiplier. Photometers measure:
Illuminance
Irradiance
Light absorption
Scattering of light
Reflection of light
Fluorescence
Phosphorescence
Luminescence
Historically, photometry was done by estimation, comparing the luminous flux of a source with a standard source. By the 19th century, common photometers included Rumford's photometer, which compared the depths of shadows cast by different light sources, and Ritchie's photometer, which relied on equal illumination of surfaces. Another type was based on the extinction of shadows. Modern photometers utilize photoresistors, photodiodes or photomultipliers to detect light. Some models employ photon counting, measuring light by counting individual photons. They are especially useful in areas where the irradiance is low. Photometers have wide ranging applications including photography, where they determine the correct exposure, and science, where they are used in absorption spectroscopy to calculate the concentration of substances in a solution, infrared spectroscopy to study the structure of substances, and atomic absorption spectroscopy to determine the concentration of metals in a solution.
Освещенность
Облученность
Поглощение света
Рассеяние света
Отражение света
Флуоресценция
Фосфоресценция
Люминесценция
A photometer is an instrument that measures the strength of electromagnetic radiation in the range from ultraviolet to infrared and including the visible spectrum. Most photometers convert light into an electric current using a photoresistor, photodiode, or photomultiplier. Photometers measure:
Illuminance
Irradiance
Light absorption
Scattering of light
Reflection of light
Fluorescence
Phosphorescence
Luminescence
Historically, photometry was done by estimation, comparing the luminous flux of a source with a standard source. By the 19th century, common photometers included Rumford's photometer, which compared the depths of shadows cast by different light sources, and Ritchie's photometer, which relied on equal illumination of surfaces. Another type was based on the extinction of shadows. Modern photometers utilize photoresistors, photodiodes or photomultipliers to detect light. Some models employ photon counting, measuring light by counting individual photons. They are especially useful in areas where the irradiance is low. Photometers have wide ranging applications including photography, where they determine the correct exposure, and science, where they are used in absorption spectroscopy to calculate the concentration of substances in a solution, infrared spectroscopy to study the structure of substances, and atomic absorption spectroscopy to determine the concentration of metals in a solution.
Исторически, фотометрия осуществлялась путем оценки, сравнивая световой поток источника со стандартным источником. К XIX веку к распространенным фотометрам относились фотометр Рэмфорда, сравнивавший глубину теней, отбрасываемых различными источниками света, и фотометр Ричи, основанный на равном освещении поверхностей. Другой тип основывался на погашении теней. Современные фотометры используют фоторезисторы, фотодиоды или фотоумножители для детектирования света. Некоторые модели применяют счетчик фотонов, измеряя свет путем подсчета отдельных фотонов. Они особенно полезны в областях с низкой облученностью. Фотометры имеют широкое применение, включая фотографию, где они определяют правильную экспозицию, и науку, где они используются в спектроскопии поглощения для расчета концентрации веществ в растворе, инфракрасной спектроскопии для изучения структуры веществ и атомно-абсорбционной спектроскопии для определения концентрации металлов в растворе.
A photometer is an instrument that measures the strength of electromagnetic radiation in the range from ultraviolet to infrared and including the visible spectrum. Most photometers convert light into an electric current using a photoresistor, photodiode, or photomultiplier. Photometers measure:
Illuminance
Irradiance
Light absorption
Scattering of light
Reflection of light
Fluorescence
Phosphorescence
Luminescence
Historically, photometry was done by estimation, comparing the luminous flux of a source with a standard source. By the 19th century, common photometers included Rumford's photometer, which compared the depths of shadows cast by different light sources, and Ritchie's photometer, which relied on equal illumination of surfaces. Another type was based on the extinction of shadows. Modern photometers utilize photoresistors, photodiodes or photomultipliers to detect light. Some models employ photon counting, measuring light by counting individual photons. They are especially useful in areas where the irradiance is low. Photometers have wide ranging applications including photography, where they determine the correct exposure, and science, where they are used in absorption spectroscopy to calculate the concentration of substances in a solution, infrared spectroscopy to study the structure of substances, and atomic absorption spectroscopy to determine the concentration of metals in a solution.
История
До того, как были разработаны электронные светочувствительные элементы, фотометрия осуществлялась путем визуальной оценки. Относительный световой поток источника сравнивался со световым потоком стандартного источника. Фотометр располагали таким образом, чтобы освещенность от исследуемого источника была равна освещенности от стандартного источника, поскольку человеческий глаз способен воспринимать равную освещенность. Относительные световые потоки затем можно было рассчитать, учитывая, что освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Типичным примером такого фотометра является лист бумаги с масляным пятном, которое делает его немного более прозрачным. Когда пятно не видно ни с одной стороны, освещенность с обеих сторон одинакова. К 1861 году в широком использовании находились три типа таких приборов: фотометр Рэмфорда, фотометр Ричи и фотометры, основанные на погашении теней, которые считались наиболее точными.
Фотометр Рэмфорда
Фотометр Рэмфорда (также называемый теневым фотометром) основывался на принципе, что более яркий свет отбрасывает более тёмную тень. Два источника света, подлежащие сравнению, использовались для создания тени на бумаге. Если тени были одинаковой глубины, разница в расстоянии до источников света указывала на разницу в их интенсивности (например, источник света, находящийся в два раза дальше, будет иметь в четыре раза меньшую интенсивность).
Фотометр Ричи
Фотометр Ричи основан на принципе равного освещения поверхностей. Он состоит из ящика (а, б) длиной шесть или восемь дюймов, шириной и глубиной соответственно. Внутри ящика посередине расположен клин из дерева (f, e, g), установленный под углом вверх и обклеенный белой бумагой. Наблюдатель смотрел через трубку (d), расположенную в верхней части ящика. Высота аппарата регулировалась с помощью подставки (c). Источники света для сравнения размещались сбоку ящика (m, n) и освещали бумажные поверхности таким образом, чтобы наблюдатель видел обе поверхности одновременно. Изменяя положение источников света, добивались равного освещения обеих поверхностей, при этом разница в интенсивности соответствовала квадрату разницы в расстояниях до них.
Способ уничтожения теней
Этот тип фотометра основывался на том, что если свет отбрасывает тень непрозрачного объекта на белый экран, существует определенное расстояние, на которое, если поместить второй источник света, тень полностью исчезнет.
Принцип фотометров
Большинство фотометров регистрируют свет с помощью фоторезисторов, фотодиодов или фотоэлектронных умножителей. Для анализа света фотометр может измерять свет после прохождения через фильтр или монохроматор для определения интенсивности на заданных длинах волн или для анализа спектрального состава света.
Подсчет фотонов
Некоторые фотометры измеряют свет, подсчитывая отдельные фотоны, а не входящий поток. Принципы работы остаются теми же, но результаты выражаются в единицах, таких как фотоны/см² или фотоны·см⁻²·ср⁻¹, а не Вт/см² или Вт·см⁻²·ср⁻¹. В силу принципа счета отдельных фотонов, эти приборы применимы для наблюдений при низкой освещенности. Освещенность ограничена временным разрешением электронной системы считывания, связанной с детектором. При современных технологиях это значение находится в мегагерцовом диапазоне. Максимальная освещенность также ограничена пропускной способностью и коэффициентом усиления самого детектора. В фотонных счетчиках, работающих в ближней инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра, в качестве светочувствительного элемента используется фотоумножитель для обеспечения достаточной чувствительности. В аэрокосмической съемке такие фотонные счетчики используются в высокоэнергетической части электромагнитного спектра, например, в рентгеновском и дальнем ультрафиолетовом диапазонах. Это обычно обусловлено низкой излучательной способностью измеряемых объектов, а также сложностью измерения света с более высокой энергией, учитывая его корпускулярную природу по сравнению с волновой природой света на более низких частотах. В то же время, радиометры обычно используются для дистанционного зондирования в видимом, инфракрасном и радиочастотном диапазонах.
Фотография
Фотометры используются для определения правильной экспозиции в фотографии. В современных камерах фотометр обычно встроен. Поскольку освещенность различных частей изображения меняется, усовершенствованные фотометры измеряют интенсивность света в разных частях будущей фотографии и используют алгоритм для определения наиболее подходящей экспозиции для конечного изображения, адаптируя алгоритм к типу планируемой фотографии (см. Режим замера). Ранее фотометр был отдельным устройством от камеры и назывался экспонометром. Усовершенствованные фотометры могли использоваться для измерения света от всей будущей фотографии, для измерения света от отдельных элементов изображения, чтобы убедиться, что наиболее важные части фотографии оптимально экспонированы, или для измерения падающего на сцену света с помощью рассеивающего адаптера.
Фотометрия отражания видимого света
Фотометр отражения измеряет отражательную способность поверхности как функцию длины волны. Поверхность освещается белым светом, а отраженный свет измеряется после прохождения через монохроматор. Этот тип измерения имеет преимущественно практическое применение, например, в лакокрасочной промышленности для объективной характеристики цвета поверхности.
УФ- и видимая светопроницаемость фотометрии
Это оптические приборы для измерения поглощения света с заданной длиной волны (или диапазоном длин волн) окрашенными веществами в растворе. На основании поглощения света, закон Бира позволяет рассчитать концентрацию окрашенного вещества в растворе. Благодаря широкому спектру применения, надежности и прочности, фотометр стал одним из основных инструментов в биохимии и аналитической химии. Поглотительные фотометры для работы в водных растворах работают в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, от длины волны около 240 нм до 750 нм. Принцип работы спектрофотометров и фильтрофотометров заключается в том, что (насколько это возможно) монохромный свет пропускается через кювету с оптически плоскими окнами, содержащую раствор. Затем он достигает светового детектора, который измеряет интенсивность света по сравнению с интенсивностью после прохождения через идентичную кювету с тем же растворителем, но без окрашенного вещества. На основании соотношения интенсивностей света, зная способность окрашенного вещества поглощать свет (поглощающую способность окрашенного вещества или эффективное сечение фотонов молекул окрашенного вещества на заданной длине волны), можно рассчитать концентрацию вещества, используя закон Бира. Используются два типа фотометров: спектрофотометр и фильтрофотометр. В спектрофотометрах используется монохроматор (с призмой или дифракционной решеткой) для получения монохромного света с определенной длиной волны. В фильтрофотометрах для получения монохромного света используются оптические фильтры. Таким образом, спектрофотометры можно легко настроить для измерения поглощения на разных длинах волн, а также использовать для сканирования спектра поглощающего вещества. Это делает их более гибкими, чем фильтрофотометры, а также обеспечивает более высокую оптическую чистоту анализируемого света, поэтому они предпочтительнее для исследовательских целей. Фильтрофотометры дешевле, прочнее и проще в использовании, поэтому они применяются для рутинного анализа. Фотометры для микротитрационных пластин являются фильтрофотометрами.
Инфракрасная фотометрия
Спектрофотометрия в инфракрасном свете в основном используется для изучения структуры веществ, поскольку определенные группы атомов дают поглощение на определенных длинах волн. Измерение в водном растворе обычно невозможно, так как вода сильно поглощает инфракрасный свет в некоторых диапазонах длин волн. Поэтому инфракрасная спектроскопия проводится либо в газовой фазе (для летучих веществ), либо с веществами, прессованными в таблетки вместе с солями, прозрачными в инфракрасном диапазоне. Для этой цели обычно используется бромид калия (KBr). Исследуемое вещество тщательно смешивается со специально очищенным KBr и прессуется в прозрачную таблетку, которая помещается в световой поток. Анализ зависимости от длины волны обычно выполняется не с использованием монохроматора, как в УФ-видимой спектроскопии, а с использованием интерферометра. Интерференционную картину можно проанализировать с помощью алгоритма преобразования Фурье. Таким образом, весь диапазон длин волн можно анализировать одновременно, что экономит время, а интерферометр также дешевле монохроматора. Свет, поглощенный в инфракрасной области, не соответствует электронному возбуждению исследуемого вещества, а скорее различным видам колебательного возбуждения. Колебательные возбуждения характерны для различных групп в молекуле, что позволяет их идентифицировать. Инфракрасный спектр обычно имеет очень узкие линии поглощения, что делает их непригодными для количественного анализа, но предоставляет очень подробную информацию о молекулах. Частоты различных мод колебаний зависят от изотопа, и поэтому разные изотопы дают разные пики. Это также позволяет изучать изотопный состав образца с помощью инфракрасной спектрофотометрии.
Атомная фотометрия поглощения
Атомно-поглощающие фотометры – это фотометры, измеряющие свет от очень горячего пламени. Анализируемый раствор вводится в пламя с постоянной, известной скоростью. Металлы в растворе находятся в атомарной форме в пламени. Монохроматический свет в этом типе фотометра генерируется разрядной лампой, в которой разряд происходит в газе, содержащем определяемый металл. Разряд излучает свет с длинами волн, соответствующими спектральным линиям этого металла. Для выделения одной из основных спектральных линий анализируемого металла может использоваться фильтр. Металл в пламени поглощает свет, и по степени поглощения определяется концентрация металла в исходном растворе.